朱晋杰

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209）

燃气轮机进气系统防雾霾技术研究

朱晋杰

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209）

介绍了燃气轮机进气过滤系统的构造及组成，分析了进气过滤系统无法适应恶劣天气的原因，提出了将粗效过滤器G3布置在防冻仓内、增加中效过滤器M5等优化改造方案，并计算了优化改造后第1年的净收益。该优化改造方案能够有效降低进气系统总压差上升速度，减少进气系统维护工作量及成本，延长精滤筒使用寿命，提高机组对恶劣天气的适应力，增强机组运行的安全性和稳定性，增加机组经济效益，值得在类似燃气轮机进气系统优化改造中推广与应用。

燃气轮机；进气过滤系统；优化改造方案；经济效益

0 引言

某燃气冷、热、电三联供电厂所在地为北京市昌平区。近年来，该地区每年清明节前后沙尘暴较严重，4，5月份空气中柳絮含量极高，秋冬季长期为雾霾天，空气含尘量高。环境大气作为燃气轮机的工质，影响着燃气轮机的安全与经济运行，空气含尘量高会使燃气轮机进气系统过滤器压差快速升高，降低燃气轮机的效率与功率，造成机组被迫下调负荷或停机［1-2］。对燃气轮机进气系统过滤器进行改造，使燃气轮机在恶劣气候条件下能够正常运行是十分必要的，否则，既影响燃气轮机安全、经济、稳定运行，又影响电厂供冷、供热。

1 燃气轮机进气过滤系统概述

燃气联合循环发电机组为1套300 MW级燃气-蒸汽联合循环抽汽供热发电机组，配置1台燃气轮机、1台余热锅炉、1台蒸汽轮机以及2台发电机，布置形式为多轴布置。燃气轮机型号为SGT5-2000E（V94.2），最大发电出力为168MW（采用西门子公司技术，由上海汽轮机有限公司制造）。按照西门子公司9E级燃气轮机典型布置，其燃气轮机进气系统布置在燃气轮机发电机房屋顶，其作用是过滤空气中尘土、初步分离空气中液滴，并将过滤后的洁净空气供应至燃气轮机压气机，以维持燃气轮机的正常、稳定运行［3］。该套进气过滤系统设计为2级：第1级为防冻仓，从外到内依次为风雨防护罩、防柳絮网、防冰冻系统和折板除雾器；第2级为过滤器仓，含粗滤层和精滤层，其中粗滤为凝聚式玻璃纤维材料，过滤等级为G3／G4［4］，共504块，精滤为1个圆柱筒和1个圆锥筒组装式滤芯，过滤等级为F9［4］，共616套。精滤带脉冲反吹自清洁系统，可实现自动控制与手动控制。

2 问题研究及分析

＃1燃气轮发电机组自2014年7月初完成96 h满负荷试运行，转生产后一直运行到9月初机组停备，燃气轮机进气系统F9级精过滤器初始压差从180Pa逐渐升至510Pa。运行期间进行了阶段性反吹，效果不明显。9月底再次启动，机组达到满负荷后，精过滤器压差在大气湿度为75%时达到570Pa，湿度为98%时达到890 Pa。在此期间，对G3级粗滤网进行更换，由于空气质量差，平均20多d更换一次粗滤网。同北京类似电厂的精过滤器使用情况进行比较，精过滤器压差上升速度较快，粗滤网更换频率高，且在精滤筒进行脉冲反吹时，整个进气系统会有一定的振动，部分滤网会脱离安装位置，造成进气短路，无法过滤空气。经检查发现，进气过滤系统粗滤网的内部吸附有大量的灰尘，并在表面板结，从而导致粗滤压差高并超过最大允许值；精滤筒的表面也有较大颗粒的灰尘，黏附在精滤筒纸质材料表面，个别精滤筒表面还有粗滤的玻璃纤维残留。以上情况表明燃气轮机进气系统设计存在问题，无法适应北京雾霾、风沙、雨雪等恶劣环境，机组运行的经济性有待提高。具体问题有以下几点。

（1）进气系统粗滤网设计不合理。燃气轮机对进气中所含的污染物浓度及颗粒物粒径要求严格［5］。滤网作为燃气轮机进气系统的重要组成部分，负责给压气机提供过滤的清洁空气，以满足燃气轮机运行要求，在整个机组中起着至关重要的作用［6］。燃气轮机进气系统粗滤网构造分为可拆卸部分与不可拆卸部分，可拆卸部件包括凝聚式玻璃纤维、不锈钢丝夹持网、不锈钢压紧网，不可拆卸部件包括固定网、固定不锈钢框架，如图1所示。安装时，首先将凝聚式玻璃纤维块装入不锈钢丝夹持网，然后将夹有玻璃纤维块的不锈钢丝夹持网装入不锈钢框架里，并压紧到带有钩钉的固定网上，最后装上压紧网。粗滤网靠不锈钢丝夹持网及不锈钢压紧网的弹性变形卡固定在不锈钢框架内。为防止粗滤网在运行中脱离安装位置，造成进气短路，需将固定网上的钩钉折弯，钩住压紧网。拆卸工作为上述逆过程。

图1 燃气轮机进气系统粗滤网构造

该结构存在以下缺点。

1）机组长期运行时，凝聚式玻璃纤维需不断进行更换，固定网上的钩钉也需不断进行折弯、扳直操作，反复操作后金属钩钉易断裂。

2）粗滤网与固定框架之间的间隙在反吹过程中会有变大的可能。更换粗滤网时，气流会将粗滤中的灰尘吹向精滤筒，污染精滤筒。更换后的粗滤不能完全杜绝气流短路的现象发生，仍会有未经过滤的空气流向精滤筒，直接影响精滤筒的寿命。

3）整个安装与拆卸操作过于复杂，更换粗滤网工作量大，作业人员如防护不当，极易将灰尘吸入身体，造成人身伤害。

（2）北京早晚空气湿度较大，最大可达到98%。因空气过滤器在空气湿度较大情况下的工作性能与空气干燥时有较大区别，所以精滤筒的压差对湿度比较敏感［7］。空气干燥时，经G3／G4级粗滤过滤后的小粒径灰尘随着机组的运行会吸附在精滤筒滤纸表面，但通过脉冲反吹，可将其从滤筒表面吹离，起到一定的反吹作用。而空气湿度较大时，小粒径灰尘会与空气中的水汽混合，黏附在精滤筒滤纸表面（如图2所示），此时脉冲反吹不易将其吹落，无法达到预期目的。经长期运行，精滤筒表面的灰尘会不断累积，进而导致压差过快升高。

图2 黏附了灰尘的精滤筒

（3）燃气轮机进气系统原设计为粗效过滤器G3与高中效过滤器F9组合，两者的精度等级相差较大，不是最优的过滤方案。

3 进气过滤系统优化方案及应用

进气系统优化与应用具有以下基础条件：降低燃气轮机进气系统总压差上升速度，提高机组运行效率；在燃气轮机不停机、不降低负荷的情况下，快捷、方便地在线更换，降低维护工作量及成本；精滤筒的造价及更换费用高，需对其进行有效保护，以延长使用寿命；机组进气过滤系统的框架结构已经定型，机组检修时间短，必须根据现有结构进行改造。

根据分析的原因，结合现场实际情况，增加1层M5级中效过滤器。将原设计的粗效过滤器G3+高中效过滤器F9优化为粗效过滤器G3+中效过滤器M5+高中效过滤器F9。具体步骤如下。

（1）原有粗效过滤器G3布置在进气系统的过滤器仓内，紧贴在折板除雾器后安装。优化方案将其布置于防冻仓内，在折板除雾器前安装。使用不锈钢网格将G3凝聚式玻璃纤维毡固定在进气系统折板除雾器前的模架上。单块面积是原来的2倍多，数量由原来的504块变为224块。日常更换时仅需将旧的凝聚式玻璃纤维毡卷起即可拆除，将新的凝聚式玻璃纤维毡卷成柱状，展开端先与固定框一侧对齐，然后逐步展开使其填充在固定框内即可完成安装，大大减少了更换工作量。同时，固定框架设有防水槽，下雨天及空气湿度较大时，凝聚的水可以通过防水槽流入折板除雾器的排污管中排走。经优化的G3级粗滤网如图3所示。

图3 经优化的G3级粗滤网

（2）在原有粗效过滤器G3的位置处布置中效过滤器M5。该级过滤器可选方案有2种，方案1为采用折叠式框架结构，将2000mm×560mm×50mm（长×宽×厚）的玻璃纤维折叠好，并用金属骨架固定在1个不锈钢框架内，进风过滤面积约为单片粗滤的3倍，在实验台进行风阻测试，初始压差仅为90Pa，单个粗滤框的容尘量约为单片粗滤的2倍，延长了粗滤的更换周期。方案2为采用铝合金外框的玻璃纤维袋式过滤器，规格为525mm×560mm× 400mm（长×宽×深），其通风过滤面积为单片粗滤的10倍以上，在实验台进行风阻测试，初始压差仅为50Pa，其更换周期更长。综合比较2种方案，后者更优。中效过滤器的固定采用导槽形式，即在现有结构的基础上焊接不锈钢导槽，导槽与原结构间的缝隙用密封胶密封，玻璃纤维袋式过滤器的铝合金外框与导槽间用聚乙烯（PE）密封条密封。该方式可有效防止空气流短路，避免未经过滤的空气流向精滤，对精滤筒能可靠保护。由于是导槽结构，更换时仅需将铝合金外框滑进、滑出即可，减少了更换的工作量。经优化的M5级铝合金外框的玻璃纤维袋式过滤器如图4所示。

（3）将增加的1层M5级袋式粗滤布置于折板除雾器后面，遇到雾霾、雨雪、潮湿天气时，前面的G3级粗滤及折板除雾器会过滤掉大部分的水汽与灰尘，对其产生很好的保护作用，从而提高其使用寿命。

（4）优化后的G3级粗滤是进气系统的第1级过滤，因此更换频率较高。在线更换时，只需将其卷起即可拆除，操作过程中仅有极少量灰尘被吹落。被吹落的灰尘会被后面的M5级袋式滤网过滤，从而完全杜绝了更换粗滤时对精滤筒造成污染。更换G3级粗滤时，操作人员在气流的上方，从根源上杜绝了更换粗滤时灰尘对操作人员身体的伤害。

图4 经优化的M5级铝合金外框的玻璃纤维袋式过滤器

（5）优化后的燃气轮机进气系统的总压差较优化之前增加1个M5级袋式滤网产生的初始压差50Pa，仅占进气过滤系统压差报警值1.3 kPa的3.8%。由于优化改造过滤系统可以有效地保护精滤筒，提高精滤筒的寿命，从而降低了进气系统总压差的上升速率，使燃气轮机能较长时间在低进气压差的阶段运行，提高了机组的效率。

4 经济效益分析

1套F9级精过滤筒的价格约为180万元，1套M5级袋式滤网的价格约为11万元，整个优化改造费用约30万元。

（1）按精过滤筒寿命延长1／3计算，可得收益为180×1／3＝60（万元），如在寿命延长后的整个精滤筒寿命期内更换4套M5级袋式滤网，费用为11×4＝44（万元），收益为60-44＝16（万元）。

（2）减少更换滤网的工作量。优化前，更换1次504块G3级粗滤网的工作量约为50人工日，优化改造后更换1次224块G3级粗滤网的工作量约为15人工日。机组年发电时间按300 d计算，G3级粗滤网的更换周期按20 d计算，年更换次数为15次，人工费按每天0.04万元／人计算，则可节约人工费（50-15）×0.04×15＝21（万元）。

（3）优化改造后，进气系统总平均压差按降低400Pa计算。根据燃气轮机进气系统压差与效率曲线，压差与发电系数为线性关系。现取2点读数：压差为400Pa时发电系数为0.994，压差为800 Pa时发电系数为0.988，即400 Pa的压差会导致发电系数变化0.006。按机组年发电量6.1亿kW·h，电价0.8元／（kW·h）计算，可提高年经济效益［6.1×108×（0.994-0.988）×8］÷10 000＝292.8（万元）。

优化改造后第1年的净收益为16+21+292.8-30＝299.8（万元）。

5 结束语

优化改造燃气轮机进气过滤系统，能够有效延缓进气系统总压差上升时间，减少粗滤网更换、维护工作量，避免了更换时对作业人员身体的伤害；能够保护精滤筒，延长其使用寿命；可以增强机组对雾霾、风沙、雨雪、柳絮等恶劣天气的适应力，提高机组运行的安全性和稳定性；还可以提高燃气轮发电机组发电效率因数，增加机组经济效益。

［1］陈大兵.燃气轮机自清式过滤系统的运行和维护［J］.燃气轮机技术，2014，27（2）：58-61.

［2］陈坚红，程元，盛德仁，等.燃气轮机滤网更换周期优化决策模型研究［J］.中国电机工程学报，34（20）：3302-3307.

［3］谢亚军.燃气轮机进气过滤系统的改造［J］.华电技术，2013，35（7）：64-65.

［4］EN 779—2012一般通风用空气颗粒过滤器过滤性能测定［S］.

［5］宋子义.进气清洁度对燃气轮机影响分析［J］.设备管理与维修，2007（12）：16-17.

［6］徐杨锋.燃气轮机压气机滤网压差高的原因及对策［J］.中国新技术新产品，2014（23）：80.

［7］BREKKE O.Performance deterioration of intake air filters for gas turbines in offshore installations［C］.Proceedings of the ASME Turbo Expo，Glasgow，UK，2010：685-694.

（本文责编：弋洋）

TK 474.7

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1674-1951（2015）07-0062-03

朱晋杰（1983—），男，山西忻州人，助理工程师，从事电力建设、设备管理、维护方面的工作（E-mail：skdjfo＠163.com）。

2015-01-13；

2015-06-18